(57)【要約】【課題】珪素ナノワイヤーとセレン化亜鉛ナノワイヤーが接合した珪素−セレン化亜鉛複合ナノワイヤーの製造方法を提供する。【解決手段】セレン化亜鉛粉末と一酸化ケイ素粉末を不活性気体中で、二段階の温度で加熱することにより、珪素ナノワイヤーとセレン化亜鉛ナノワイヤーが接合した珪素−セレン化亜鉛複合ナノワイヤーを製造する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セレン化亜鉛粉末と一酸化ケイ素粉末の混合物を、不活性気体を流しながら、１２５０〜１４００℃に、０．８〜１．５時間加熱した後、引き続き、１４００〜１５５０℃に、１〜２時間加熱することを特徴とする珪素ナノワイヤーとセレン化亜鉛ナノワイヤーの接合した珪素−セレン化亜鉛複合ナノワイヤーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、珪素ナノワイヤーとセレン化亜鉛ナノワイヤーが互いに接合した複合ナノワイヤーの製造方法に関する。さらに詳しくは、青緑色発光デバイス用材料として有望な珪素−セレン化亜鉛複合ナノワイヤーの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セレン化亜鉛は、バンドギャップエネルギーが約２．７ｅＶのＩＩ−ＶＩ半導体であり、発光デバイス用材料として期待されている。一方、珪素ナノワイヤーは、珪素と二酸化珪素粉末の高温処理により製造されている（たとえば、非特許文献１、２参照。）。さらに、炭化珪素−一酸化ケイ素系原料を高温に加熱することにより、珪素（芯）−二酸化珪素（中間層）−炭素（外層）からなる三層ナノケーブルの製造方法も知られている（たとえば、非特許文献３参照。）。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｎ．Ｗａｎｇ，ほか、「フィジカル・レビューＢ」（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ）５８巻、Ｒ１６０２４−Ｒ１６０２６頁、１９９８年
【非特許文献２】
Ｓ．Ｔ．Ｌｅｅ，ほか、「ジャーナル・オブ・マテリアル・リサーチ」（Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．）１４巻、４５０３−４５０７頁、１９９９年
【非特許文献３】
Ｗ．Ｓ．Ｓｈｉ，ほか、「アドバンスト・マテリアルズ」（Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．）１２巻、１９２７−１９３０頁、２０００年
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、発光デバイスの作製に際して有用な珪素ナノワイヤーとセレン化亜鉛ナノワイヤーの接合した珪素−セレン化亜鉛複合ナノワイヤーの製造方法を提供することを解決すべき課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
セレン化亜鉛粉末と一酸化ケイ素粉末の混合物を不活性気体中で、１２５０〜１４００℃に加熱した後、引き続き、１４００〜１５５０℃に加熱することにより、珪素ナノワイヤーとセレン化亜鉛ナノワイヤーが接合した珪素−セレン化亜鉛複合ナノワイヤーを製造する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
グラファイト製るつぼの中に、セレン化亜鉛粉末と一酸化ケイ素粉末の混合物を入れ、グラファイト製の誘導加熱円筒管の中心部に取り付ける。この円筒管は断熱層の炭素繊維で覆われている。円筒管の上部には細いガス導入管、下部にはガス排出管が付いている。さらに、この円筒管は石英管の中に入っている。石英管を１〜２Ｔｏｒｒの減圧にした後、不活性気体としてアルゴンガスを導入する。セレン化亜鉛粉末と一酸化ケイ素粉末の混合物を急速に加熱し、１２５０〜１４００℃で０．８〜１．５時間維持した後、さらに、１４００〜１５５０℃に１〜２時間維持して加熱を終了させて、加熱炉を室温に冷却する。断熱材の炭素繊維の表面に濃黄色の生成物が堆積する。
【０００７】
上記において、一酸化ケイ素粉末とセレン化亜鉛粉末の重量比は、０．４〜１．０の範囲が好ましい。この範囲よりも少ないと、珪素−セレン化亜鉛接合ナノワイヤーの収率が低下する。逆に、この範囲よりも多いとセレン化亜鉛ナノワイヤー中に珪素ナノワイヤーが混入する。アルゴンガスの流量は、６０〜１５０ｓｃｃｍが好ましく、これ以上流しても収率の向上は期待できない。この範囲よりも少ない場合は収率が低下する。
【０００８】
加熱温度は上記のように、第１段階では、１２５０〜１４００℃が好ましく、これ以上の温度にすると、珪素ナノワイヤーが幾分酸化される。この範囲よりも温度が低いと、珪素ナノワイヤーが成長しない。第２段目の加熱温度は１４００〜１５５０℃が好ましく、この範囲よりも温度が高いと、セレン化亜鉛ナノワイヤーが珪素ナノワイヤー全体を覆ってしまい、ナノケーブルに類似した構造になってしまう。この範囲よりも温度が低い場合は、珪素ナノワイヤーの上にセレン化亜鉛ナノワイヤーがエピタキシャル成長しない。第１段目の加熱時間は０．８〜１．５時間が好ましく、これ以上長いと、珪素ナノワイヤーが酸化を受ける。短い場合は、珪素ナノワイヤーの収率が低下する。第２段目の加熱時間は１〜２時間が好ましく、これ以上長いと、珪素−セレン化亜鉛接合ナノワイヤーの表面が酸化される。この範囲よりも短いと珪素−セレン化亜鉛接合ナノワイヤーの収率が低下する。
【０００９】
【実施例】
次に、実施例を示して具体的に説明する。
グラファイト製るつぼの中に、シグマ・アルドリッチ社製のセレン化亜鉛粉末（純度９９．９９％）１．５ｇと同社製の一酸化ケイ素（３２５メッシュ）１．０ｇの混合物を入れ、このるつぼを、炭素繊維の断熱材で覆われたグラファイト製の円筒管の中心部に設置した。この反応系を１〜２Ｔｏｒｒの減圧にした後、キャリアガスとしてアルゴンガス（純度９９．９９％）を８０ｓｃｃｍの流速で導入した。このセレン化亜鉛粉末と一酸化ケイ素粉末の混合物を高周波誘導加熱炉を用いて、１３００℃まで急速に加熱した。この温度に１時間保持した後、さらに、１５００℃で１．５時間加熱した。その後、加熱炉を室温に冷却した。断熱材の炭素繊維の表面に濃黄色の生成物が堆積した。
【００１０】
図１ａに、生成物の粉末Ｘ線回折のパターンを示した。このパターンから生成物は立方晶系の珪素と六方晶系のセレン化亜鉛を含む複合体であることが分かった。図１ｂに、透過型電子顕微鏡で観察した生成物の像を示したが、明るく写っている珪素ナノワイヤー部分と暗く写っているセレン化亜鉛ナノワイヤー部分が接合していることが分かった。接合した珪素−セレン化亜鉛複合ナノワイヤーの直径は均一で、６０〜８０ナノメートルであり、珪素ナノワイヤー部分とセレン化亜鉛ナノワイヤー部分の直径は３０〜４０ナノメートルであった。また、珪素−セレン化亜鉛複合ナノワイヤーの長さは、数マイクロメートルから十数マイクロメートルであることが確認された。
【００１１】
さらに、高分解能透過型電子顕微鏡像と電子線回折のパターンから構造的に均一な結晶で、二つの軸を持つ単結晶の珪素−セレン化亜鉛接合ナノワイヤーであることが分かった。
【００１２】
図２ａおよび図２ｂに、この珪素−セレン化亜鉛接合ナノワイヤーのＸ線エネルギー拡散スペクトルの測定結果を示す。図２ａは珪素ナノワイヤー側から走査した元素マッピングで、珪素、亜鉛、セレンのシグナルが観察されるが、その定量的割合は珪素８５．３５ａｔｏｍ％、亜鉛３．０６ａｔｏｍ％、セレン４．０５ａｔｏｍ％であり、大部分が珪素から成る組成であることが分かった。なお、銅のシグナルは透過型電子顕微鏡に試料を取り付ける際に用いた銅グリッドに由来し、酸素のシグナルはサンプル作製中に空気中の酸素を吸着して出現したものである。
【００１３】
図２ｂは、珪素−セレン化亜鉛複合ナノワイヤーのセレン化亜鉛側から走査して測定した元素マッピングで、その組成比は亜鉛４７．３８ａｔｏｍ％、セレン４３．６３ａｔｏｍ％、珪素２．５６ａｔｏｍ％であり、ほぼ、化学量論的セレン化亜鉛からなる化学組成であることが確認された。
【００１４】
このように、直径方向に走査して測定した元素マッピングにより珪素含有量の多い部分とセレン化亜鉛の含有量の多い部分が得られたことから、この複合ナノワイヤーはナノケーブルのような芯−鞘を有する構造ではなく、二つのナノワイヤー同士が接合した構造であることが分かった。
【００１５】
図３に、２４Ｋ、７０Ｋ、１７０Ｋおよび室温で測定した珪素−セレン化亜鉛接合ナノワイヤーのカソードルミネッセンスのスペクトルを示した。４３８ｎｍ、４５７ｎｍ、５５０〜６２０ｎｍ、７７３ｎｍに発光ピークがあることが分かった。
【００１６】
【発明の効果】
二段階加熱により、珪素ナノワイヤーとセレン化亜鉛ナノワイヤーの接合した珪素−セレン化亜鉛複合ナノワイヤーが製造可能となったので、カソードルミネッセンス、フォトルミネッセンス、エレクトロルミネッセンスなどの発光デバイスへの応用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ａは、珪素ナノワイヤーとセレン化亜鉛ナノワイヤーの接合した複合ナノワイヤーの粉末Ｘ線回折パターンの図である。図１ｂは、珪素ナノワイヤーとセレン化亜鉛ナノワイヤーの接合した複合ナノワイヤーの透過型電子顕微鏡像の図面代用写真である。
【図２】図２ａは、珪素ナノワイヤーとセレン化亜鉛ナノワイヤーの接合した複合ナノワイヤーの珪素ナノワイヤー部分のＸ線エネルギー拡散スペクトルの図である。図２ｂは、珪素ナノワイヤーとセレン化亜鉛ナノワイヤーの接合した複合ナノワイヤーのセレン化亜鉛ナノワイヤー部分のＸ線エネルギー拡散スペクトルの図である。
【図３】種々の温度で測定した珪素ナノワイヤーとセレン化亜鉛ナノワイヤーの接合した複合ナノワイヤーのカソードルミネッセンスの発光スペクトルである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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